激光CVD法的氧化铝涂层低温高速成膜新技术开发与应用

　　【中国幕墙网】业界对工作在理想光谱区域和功率范围的紧凑型固态金刚石激光器的追求，以及众多其他的光电子应用，促进了全球对工业金刚石制造的研究和开发。得益于近年来化学气相沉积（CVD）法生长金刚石技术的进步，澳大利亚的一个研究小组最近报道了一种光泵浦外腔CVD金刚石拉曼激光器。

　　澳大利亚Macquarie大学的研究人员Richard Mildren表示：“长期以来，人们一直认为金刚石是非常好的拉曼材料。但是直到过去的几年，由于CVD生长方法能够以合理的价格重复制造这种材料，才使我们可以实际进行这方面的研究” 。

　　图:原理验证拉曼激光器的谐振腔由输入耦合镜M1和端镜M2形成，内置一块以布儒斯特角（67.5o）放置的未镀膜单晶CVD金刚石。对于由上端的布儒斯特面反射的输出光束，一个短程滤波器（高透边界为540nm）用于从斯托克斯输出光中滤除残余的泵浦光。

　　金刚石的拉曼增益系数，比金属钨酸盐、硝酸钡以及硅等其他可替代的拉曼材料至少要高出40%。在所有的材料中，金刚石具有最大的拉曼频移以及最宽的透光范围，大约从紫外的225nm到远红外的100祄。而且在如此宽的范围内，有许多光谱区域是目前的激光技术无法很好做到的，如医学中使用的黄光，这也是目前金刚石拉曼激光器研究的主要推动力之一。此外，金刚石的热导率比其他大多数激光材料约高出两个数量级，这为高功率激光应用提供了巨大潜力。

　　 金刚石光子器件

　　对硅基拉曼激光器的研究也引起了业界的巨大兴趣，因为依靠目前的半导体技术，硅基拉曼激光器有望被集成到电子集成光路中。尽管金刚石缺乏像硅那样制成集成光路的技术平台，但在过去的十年中，对集成单片金刚石光子器件的研究兴趣，使人们在实验室中实现了波导、光子晶体器件、辐射探测和光子源。总的来说，这些进步都是通过在硅基底上沉积金刚石薄膜的CVD技术实现的。

　　这项技术的一个研究目标是用热导率比纯硅更高的金刚石和硅的化合物晶圆，取代目前集成光路中使用的300mm直径的硅晶圆基底。其中的一种方法有望以可承受的价格来制造大尺寸单晶金刚石晶圆。在过去的五年中，表面积达25祄2的单晶金刚石薄膜、以及毫米尺寸的工业金刚石已实现商业化。

　　基于这些材料方面的进步，Macquarie大学构建了一款拉曼激光器，它是通过把一块尺寸约为5mm 5mm 1.47mm的未镀膜金刚石单晶，放置在由输入耦合镜和端镜组成的谐振腔内构成的。拉曼激光器的泵浦光是由调Q Nd: YAG激光器经过倍频输出的频率为10Hz、脉宽为10ns的532nm的激光。研究人员构建的这款外腔拉曼激光器，从输入的泵浦信号到573nm一阶斯托克斯输出光的总转换效率为13%。

　　Mildren认为，他们的原理验证演示是一个比较粗糙的实验，其中还有诸多可以改进的因素以提高效率，这些因素包括在晶体表面缺少减反射膜，在晶体生长过程中的残余应力双折射，以及晶体的长度较短。他补充说，他们正在对CVD技术进行的改进已经使后两项问题得到了解决，比如，2008年10月英国Element Six公司就发布了一种商用的激光用CVD金刚石，其双折射差小于10-5。

　　日本东北大学金属材料研究所和产业技术综合研究所通过激光CVD(化学气相沉积)法使原料等离子化，开发出了在较原来约低400℃的温度下对氧化铝(Al2O3)单晶涂层进行成膜，并将成膜速度提高数10～1000倍的成膜技术。如果将该项研究成果用于刀头可换式等切削工具的硬质氧化铝相涂层中，将有望大幅提高切削工具的寿命，因此吸引了广泛关注。

　　日本东北大学金属材料研究所教授后藤孝的研究小组一直在进行以下的研究：采用铝有机金属络合物Al(acac)3(乙酰丙酮铝)和氧气，然后对其进行激光照射实现等离子化，形成活性反应场，对氧化铝α单晶相进行成膜，并优化结晶方位。如果在激光器中采用半导体激光器使铝的气体原料实现等离子化，那么与目前的CVD法相比，可以低温高速地制成硬质α相氧化铝。CVD的载气中使用了氩气。

　　此次将激光器由半导体激光器改为Nd(钕)-YAG(钇铝石榴石)激光器，输出功率提高到了250W，可大范围照射激光，从而优化了因等离子而形成的活性场。后藤教授介绍说，最终“我们成功地将成膜温度降低了400℃，将成膜速度提高至数10～1000倍以上”。据后藤教授介绍，预计成膜速度最高可以快至数1000倍。成膜温度为1000K左右，低于原方法的1500K。

　　氧化铝是采用“Corundum”型结晶构造的氧化铝高温相，导热率较小、即使在高温下也具有良好的化学稳定性，因此有望作为超硬工具等切削工具的涂层。通过实验获得了α氧化铝相单晶成膜的温度和杨氏模量的合成领域范围、将原料气体的气化温度和装置样品室的压力作为变数进行控制后的结晶方位范围等。

　　此次的研究成果，是东北大学与产综研可持续材料研究部门作为大幅减少稀有金属W(钨)使用量的经济产业省“稀有金属代替材料开发项目”的研发课题而共同推进的。在成膜底板的实验中采用了氧化铝，后藤教授介绍说“还可以支持超硬工具(WC和Co是主要成分)底板中的被膜”。

　　以对α氧化铝层进行低温高速被膜的研究成果为基础，工具厂商如何支持超硬工具实现产品化将是今后的一大课题。后藤教授表示，覆层对象除了超硬工具外，“预计主要成分为TiN(氮化钛)的金属陶瓷也可被膜”。基于激光CVD的等离子活性化被膜法可以用于很多领域，这一点最受人瞩目。